(57)【要約】【課題】相間電圧検出のため変圧器を１個として三相電力を精度良く測定できる電力測定装置、及びそれを内蔵したモータマルチリレーを提供する。【解決手段】任意の２相の瞬時電流を検出する電流検出回路と、任意の２相間の瞬時電圧を検出する電圧検出回路と、前記任意の２相間とは異なる２相間の瞬時電圧を受信する受信回路と、演算回路とを備えて電力測定装置を構成する。演算回路にて、前記電流検出回路が検出した２相の瞬時電流の値と、前記電圧検出回路が検出した瞬時電圧の値と、前記受信回路が受信した瞬時電圧の値とから瞬時電力を算出する。【選択図】図１
2007198844.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相負荷の電力測定装置であって、
任意の２相の瞬時電流を検出する電流検出回路と、
任意の２相間の瞬時電圧を検出する電圧検出回路と、
前記任意の２相間とは異なる２相間の瞬時電圧を外部より受信する受信回路と、
前記電流検出回路が検出した２相の瞬時電流の値と、前記電圧検出回路が検出した瞬時電圧の値と、前記受信回路が受信した瞬時電圧の値とから瞬時電力を算出する演算回路と、を備えることを特徴とする電力測定装置。
【請求項２】
前記電圧検出回路で検出した瞬時電圧を外部に送信する送信回路を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の電力測定装置。
【請求項３】
請求項１に記載の電力測定装置において、
前記演算回路は、更に算出した前記瞬時電力を三相電力の所定周期に渡って平均することにより平均電力を算出することを特徴とする電力測定装置。
【請求項４】
請求項１又は３に記載の電力測定装置において、
前記演算回路は、前記電流検出回路が検出した電流値と前記電圧検出回路が検出した電圧値とを一時記憶する記憶回路を備え、前記受信回路により受信した瞬時電圧の値と、該瞬時電圧が検出されてから前記受信回路がその値を受信するまでの通信所要時間として予め定めた時間だけ以前に前記記憶回路に一時記憶した電流値と電圧値と、に基づいて瞬時電力を算出することを特徴とする電力測定装置。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れかに記載の電力測定装置を内蔵することを特徴とするモータの保護、監視用モータマルチリレー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三相電力負荷の電力を測定する電力測定装置、及びそれを内蔵してモータの保護、監視を行なうモータマルチリレーに関する。
【背景技術】
【０００２】
製鉄所、石油精製化学を始めとする各種プラントにはポンプや弁開閉装置等を操作するために多数の低圧モータが使用される。それら多数の低圧モータへの給電は、コントロールセンタと呼ばれる開閉制御装置において集中的に行なわれる。コントロールセンタ内には、個々のモータ毎にモータマルチリレーと呼ばれる負荷制御装置が取り付けられている。モータマルチリレーは、過負荷保護、欠相保護、地絡保護、不足電流保護に加え電力測定による電力過負荷保護、電力低負荷保護等を行なって負荷であるモータを保護する。それによってモータにより駆動される負荷機器も保護される。
【０００３】
図２は、モータマルチリレーにて採用されている従来の電力測定回路の構成を説明する図である。モータマルチリレー５０には、２個の変流器５１、５２により検出したＲ相、Ｔ相のモータ電流と、変圧器５３により検出したＲ−Ｔ相間の電圧が入力される。通常の２電力計法により三相電力を測定するには、Ｒ−Ｔ相以外にもう一つの相間電圧、例えばＲ−Ｓ相間の電圧を検出する必要がある。しかし、そうするためには変圧器を２個に増やす必要がある。また、電力値は、測定した電圧、電流をＡ／Ｄ変換してディジタル値に変換し、それらを掛算して算出される。従って、入力する相間電圧を増やすとＡ／Ｄ変換回路の追加が必要となる。
【０００４】
相間電圧の検出数を増やすことは、こうしたことからコスト高につながる。また追加の取り付けスペースも必要となる。このため図２の電力測定回路では、三相電圧が平衡しているものと仮定して、Ｒ−Ｔ相間電圧とＲ相、Ｔ相電流とから三相電力を算出している（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
しかし、図２の電力測定回路では三相電圧が平衡しているものと仮定して計算を行なうため、電圧が不平衡となった場合には測定精度が低下するという問題がある。
【特許文献１】特開２００１−３５９２９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、従来技術のこうした問題点を解決するためになされたもので、その課題は、相間電圧検出のために２個の変圧器を取り付けることなく、１個の変圧器を取り付けるのみで三相電力を精度良く測定できるようにした電力測定装置、及びそれを内蔵したモータマルチリレーを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するための請求項１に記載の発明は、三相負荷の電力測定装置であって、任意の２相の瞬時電流を検出する電流検出回路と、任意の２相間の瞬時電圧を検出する電圧検出回路と、前記任意の２相間とは異なる２相間の瞬時電圧を外部より受信する受信回路と、前記電流検出回路が検出した２相の瞬時電流の値と、前記電圧検出回路が検出した瞬時電圧の値と、前記受信回路が受信した瞬時電圧の値とから瞬時電力を算出する演算回路と、を備えることを特徴とする電力測定装置である。
【０００８】
このような構成の電力測定装置によれば、瞬時電力測定に必要な相間電圧を検出するための変圧器を１個で済ますことができる。また、変圧器は１個でも２相の瞬時電流の値と、２つの相間電圧の瞬時値とを使用して瞬時電力を算出するので、例え三相電圧が不平衡であっても精度良く瞬時電力を測定することができる。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、前記電圧検出回路で検出した瞬時電圧を外部に送信する送信回路を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の電力測定装置である。
このような構成の電力測定装置によれば、異なる相間の電圧瞬時値を必要とする電力測定装置に、自身が検出した相間電圧の瞬時値を提供することが可能となる。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の電力測定装置において、前記演算回路は、更に算出した前記瞬時電力を三相電力の所定周期に渡って平均することにより平均電力を算出することを特徴とする電力測定装置である。
【００１１】
このような構成の電力測定装置によれば、平均電力の測定に必要な相間電圧を検出するための変圧器を１個で済ますことができる。また、変圧器は１個でも２相の瞬時電流の値と、２つの相間電圧の瞬時値とを使用して平均電力を算出するので、例え三相電圧に不平衡があっても精度良く平均電力を測定することができる。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１又は３に記載の電力測定装置において、前記演算回路は、前記電流検出回路が検出した電流値と前記電圧検出回路が検出した電圧値とを一時記憶する記憶回路を備え、前記受信回路により受信した瞬時電圧の値と、該瞬時電圧が検出されてから前記受信回路がその値を受信するまでの通信所要時間として予め定めた時間だけ以前に前記記憶回路に一時記憶した電流値と電圧値と、に基づいて瞬時電力を算出することを特徴とする電力測定装置である。
【００１３】
受信回路には、通信に要した時間だけ遅れて瞬時値が到着する。本構成では、自身が検出した電圧、電流値として通信所要時間分だけ以前に検出した値を用い、それらと受信した電圧値とに基づいて瞬時電力を算出する。従って、通信による遅れ時間の影響を小さくすることができ、電力測定精度を一層高めることができる。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４の何れかに記載の電力測定装置を内蔵することを特徴とするモータの保護、監視用モータマルチリレーである。
このような構成のモータマルチリレーは、三相電圧に不平衡がある場合においても、三相負荷の瞬時電力、平均電力、消費電力量等に関する高い精度の電力情報を取得することができる。従って、三相負荷を精度良く保護、監視等することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る電力測定装置及びそれを内蔵するモータマルチリレーの一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、その電力測定装置２を含むモータマルチリレー１の構成、及びそれらの接続関係をブロック図を交えて示したものである。
【００１６】
負荷である三相交流モータ４には、Ｒ、Ｓ、Ｔ相からなる三相交流電源６より配線用遮断器８、電磁接触器９を介して三相交流電力が供給される。配線用遮断器８と電磁接触器９との間にはＲ−Ｔ相間電圧を検出する変圧器１０が、電磁接触器９とモータ４との間には、Ｒ相電流検出用のＲ相変流器１１、Ｔ相電流検出用のＴ相変流器１２、零相変流器１３が接続されている。
【００１７】
モータマルチリレー１は、電力測定装置２、制御回路１６、表示装置１７、入力装置１８を備えて構成されている。制御回路１６は、過負荷、欠相、地絡、不足電流、電力過負荷、電力低負荷等からモータ４を保護する制御を行なう中核回路である。制御回路１６は、詳しくは示してないがマイクロコンピュータ、零相変流器１３の出力電流値を取り込む零相電流検出回路、配線用遮断器８と電磁接触器９の動作状態を取り込む入力インターフェイス回路、配線用遮断器８と電磁接触器９を操作するための出力インターフェイス回路、電力測定装置２より電力情報を取り込む入力インターフェイス回路、表示装置１７と入力装置１８を操作する入出力インターフェイス回路、他のモータマルチリレー１ａと交信するための通信回路、等を備えて構成されている。
【００１８】
入力装置１８は、モータ４を制御するための制御条件を入力するためのものである。表示装置１７は、制御状態、異常内容、警報等を表示するためのものである。モータマルチリレー１は、入力装置１８より入力された制御条件、電力測定装置２から取得した電力情報、電圧情報、電流情報等に基づいてモータ４の制御、保護を行なう。それと同時に、制御状態、異常内容、警報等を表示装置１７に表示させる。
【００１９】
電力測定装置２は、モータ４に供給されている電力を測定するためのものである。電力測定装置２は、演算回路２１、Ａ／Ｄ変換器２２、２３、送信回路２４、受信回路２５、電源回路２７、変圧器１０、Ｒ相変流器１１、Ｔ相変流器１２、抵抗Ｒ１、Ｒ２を備えて構成されている。
【００２０】
変圧器１０の一次側は三相交流電源６のＲ相、Ｓ相に接続されている。二次側にはＲ−Ｓ相間電圧を一定比率で降圧した電圧が出力される。電源回路２７は、変圧器１０の二次側から電力供給を受け、電力測定装置２及びモータマルチリレー１内の各回路に電源を供給する。変圧器１０の二次側に出力されるアナログ電圧は、Ａ／Ｄ変換器２２によって短い周期でディジタル値に変換され、演算回路２１に入力される。
【００２１】
Ｒ相変流器１１、Ｔ相変流器１２には、それぞれ抵抗Ｒ１、Ｒ２が接続されている。抵抗Ｒ１、Ｒ２の両端にはＲ相電流、Ｔ相電流に比例する電圧が発生する。その電圧は、２チャンネル入力のＡ／Ｄ変換器２３によって短い周期でディジタル値に変換され、演算回路２１に入力される。
【００２２】
演算回路２１は、マイクロコンピュータを用いて構成されており、内部には周知のＣＰＵ、記憶装置としてのＲＡＭ２８、ＲＯＭ、入出力インターフェイス回路、それらを繋ぐバス等が設けられている。演算回路２１は制御回路１６に接続されている。
【００２３】
演算回路２１には、更に送信回路２４、受信回路２５が接続されている。送信回路２４は他のモータマルチリレー１ａ内の図示しない電力測定装置に向けて、自身が検出したＲ−Ｓ相間電圧を送信するためのものである。また、受信回路２５は他のモータマルチリレー１ａ内の電力測定装置より、その電力測定装置が検出した相間電圧を受信するためのものである。なお、電力測定装置２と他の電力測定装置との間の通信回線には、制御回路１６と他の制御回路との間の通信回線を利用してもよい。
【００２４】
次に、このような構成を有する電力測定装置２の電力測定方法について説明する。モータ４に供給される三相電圧のＲ相、Ｓ相、Ｔ相の各相電圧の瞬時値をＶｒ、Ｖｓ、Ｖｔ、相電流の瞬時値をＩｒ、Ｉｓ、Ｉｔ、モータ４に供給されている有効電力の瞬時値をＰとする。電力Ｐは、次の式で計算される。
Ｐ＝Ｖｒ・Ｉｒ＋Ｖｓ・Ｉｓ＋Ｖｔ・Ｉｔ                            （１）式
また、零相電流はゼロであることから次式が成り立つ。
Ｉｒ＋Ｉｓ＋Ｉｔ＝０                                              （２）式
【００２５】
（２）式を使用して（１）式中のＩｒを消去する。電力Ｐは次のように計算される。
Ｐ＝Ｖｒ・（−Ｉｓ−Ｉｔ）＋Ｖｓ・Ｉｓ＋Ｖｔ・Ｉｔ
＝（−Ｖｒ＋Ｖｓ）・Ｉｓ−（−Ｖｔ＋Ｖｒ）・Ｉｔ    
（−Ｖｒ＋Ｖｓ）はＲ相を基準としたＲ−Ｓ相間の電圧、（−Ｖｔ＋Ｖｒ）はＴ相を基準としたＴ−Ｒ相間の電圧である。それら値をＶsr、Ｖrtで表わすと、電力Ｐは次のように表わされる。
Ｐ＝Ｖsr・Ｉｓ−Ｖrt・Ｉｔ                                        （３）式
【００２６】
同様に、（１）式中のＩｓを消去すると電力Ｐは次の式で計算される。
Ｐ＝Ｖts・Ｉｔ−Ｖsr・Ｉｒ                                        （４）式
ここに、ＶtsはＳ相を基準としたＴ−Ｓ相間の電圧である。
同様に、（１）式中のＩｔを消去すると電力Ｐは次の式で計算される。
Ｐ＝Ｖrt・Ｉｒ−Ｖts・Ｉｓ                                        （５）式
【００２７】
本実施形態の電力測定装置２は、Ｒ相、Ｔ相の電流瞬時値Ｉｒ、Ｉｔを検出している。検出していないＳ相の電流瞬時値Ｉｓは、（２）式の関係を使用して算出できる。即ち、演算回路２１は三相の電流瞬時値Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔの何れの値をも知ることができる。
【００２８】
相間電圧については、本実施形態の電力測定装置２はＲ−Ｓ相間の電圧Ｖsrを検出している。従って、例えば、検出していないＲ−Ｔ相間の電圧Ｖrtが分かれば、演算回路２１は（３）式を使用して瞬時電力Ｐの値を算出できる。Ｔ−Ｓ相間の電圧Ｖtsが分かる場合には、（４）式を使用して瞬時電力Ｐの値を算出できる。
【００２９】
そのため本実施形態の電力測定装置２では、Ｒ−Ｔ相間、又はＴ−Ｓ相間の何れかの電圧瞬時値を他の電力測定装置から取得する。その取得には通信を利用する。そして、取得した値を用い、（３）式又は（４）式により瞬時電力Ｐを算出する。平均電力は、瞬時電力Ｐの値を所定の周期に渡って積分し、その間の平均値を計算して求める。電力量は、瞬時電力Ｐの値を積算し続けて求める。
【００３０】
このように、電力測定装置２は三相電流の何れか２相の電流を検出する。２相の電流が判明すれば、残りの相の電流は計算で求まり、結局、３相全ての相電流が判明する。瞬時電力Ｐを算出するには、それら電流値に加えて２つの相間電圧を知る必要がある。そこで一つの相間電圧は自身で検出し、残る一つの相間電圧は外部から通信で取得する。そして、判明した２つの相間電圧に合わせて（３）、（４）、（５）の何れかの式を選択して瞬時電力Ｐを算出する。上記電力測定装置２は、このような考えにより瞬時電力Ｐを測定している。電力測定装置２が自身で検出した相間電圧の瞬時値は、他の電力測定装置の利用に供するため送信回路２４から出力する。
【００３１】
このように本実施形態の電力測定装置２は、自身では検出していない相間電圧の一つを他の電力測定装置から取得する。そして電力計算に使用する。従って、自身は一つの相間電圧を検出するための１個の変圧器しか準備しない。こうすることで、必要な変圧器を２個から１個に減らすことができる。検出する相間電圧の数を減らしたので、その電圧をディジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器の数も減らすことができる。電力計算は２電力計法と同じように行なうので、三相電圧が不平衡な場合でも精度の高い電力測定ができる。こうした利点は、送信回路２４、受信回路２５を余分に必要とする不利な点を補って余りある。
【００３２】
なお、特許請求の範囲に記載した電流検出回路は、上記実施形態ではＲ相変流器１１、Ｔ相変流器１２、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ａ／Ｄ変換器２３により構成されている。また、電圧検出回路は変圧器１０、Ａ／Ｄ変換器２２により構成されている。
また、上記実施形態では負荷としてモータ４を取りあげたが、モータ以外の負荷、例えばヒータのような負荷でもよい。
【００３３】
（変形実施形態）
前記実施形態における電力測定装置２は、次のように変形して実施してもよい。前記電力測定装置２では、自身が検出していない他の相間電圧の瞬時値を他の電力測定装置から通信で取得している。この場合、演算回路２１は、その瞬時値を通信所要時間だけ遅れて受け取る。この通信所要時間が無視できない程度に大きいと、自身が検出した電圧、電流等と通信で取得した電圧との間に位相差が生じて算出した瞬時電力Ｐに誤差が生ずる。
【００３４】
この誤差を小さくするには、自身が検出した電圧、電流等についても通信所要時間分だけ遅らせればよい。そのようにするために、Ａ／Ｄ変換器２２、２３にて検出した電圧、電流の値を時系列で演算回路２１内のＲＡＭ２８に記憶する。そして、瞬時電力Ｐを算出する際には、通信所要時間分だけ以前の電圧、電流の瞬時値をＲＡＭ２８から読み出し、それらの値と通信で受け取った他の相間電圧とを使用して瞬時電力Ｐを算出する。
【００３５】
このようにすれば通信所要時間に起因する位相差を小さくすることができるので、瞬時電力Ｐの測定精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】電力測定装置とそれを含むモータマルチリレーの構成例を示すブロック図である。
【図２】従来技術に係る図１相当図である。
【符号の説明】
【００３７】
図面中、１はモータマルチリレー、１ａは他のモータマルチリレー、２は電力測定装置、４はモータ、１０は変圧器、１１はＲ相変流器、１２はＴ相変流器、１６は制御回路、２１は演算回路、２４は送信回路、２５は受信回路、２８はＲＡＭ（記憶回路）を示す。
【図１】
2007198844.tif 000003
【図２】
2007198844.tif 000004